摘要：本文基于上海太阳能的资源状况、太阳能热水系统建筑应用的政策和标准，通过调研上海市太阳能热水系统建筑应用的项目,分析了应用现状及其经济性。通过一个典型的住宅应用案例，为上海太阳能热水系统的建筑应用提供参考和借鉴。
关键词：太阳能热水系统,建筑应用,经济性
引言
太阳能使用清洁、分成广泛，是最重要的可再生能源之一。在各类太阳能利用技术中，太阳能热水器作为建筑中生活热水的热源，为建筑提供热水是应用规模最广、最成熟的技术之一。据统计，生活热水能耗占建筑总能耗可达10%～20%[1]，具有非常大的节能潜力。目前我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产和销售国，其生产能力和应用规模都处于世界首位。根据中国太阳能热利用产业联盟发布的《中国太阳能热利用行业运行状况报告》[2]，中国占全球太阳能集热器安装保有量超过70%。
太阳能热水系统应用于建筑的目标是利用太阳能来满足建筑物的生活热水用能需求。根据2013年对光热建筑应用项目的抽样调查数据显示[3]，92%的项目使用热水系统，1%的项目使用采暖系统，6%的项目采取热水系统与采暖系统相结合的方式，1%的项目采取热水、采暖及空调系统三者相结合的方式，如图1所示。
由此可见，热水系统占据绝对的主导地位，且由于采暖系统主要是利用太阳能产生的热水进行供暖，采暖系统常与热水系统一起使用。
1上海太阳能资源
1.1太阳辐射概况
上海市地处长江中下游地区，水平面年总辐射量为4658MJ/(m2·a)[4]，相当于140~170kg标准煤燃烧所发出的热量;年总日照时数为1997.5h[5]，属于Ⅲ类太阳能资源分区。
1.2太阳辐射强度
根据《建筑节能气象参数标准》JGJ/T346-2014中上海典型气象年逐时太阳总辐射量(即太阳总辐射强度)数据可知，上海市春夏季的太阳总辐射强度比秋冬季高，全年最高太阳总辐射强度约为800W/m2，详见图2。上海市全年各级太阳总辐射强度频数如图3所示。
由图可知，全年太阳总辐射强度>500W/m2出现频数最高，为957h，其次为强度范围0~100W/m2的出现频数，约为693h。太阳总辐射强度范围为100W/m2~500W/m2的出现频数较为相近，约为600h。
1.3日均太阳辐射量
上海年均日太阳总辐射量为12.76MJ/(m2·d)[6]。上海太阳总辐射量逐日变化如图4所示。由图可知，日均太阳总辐射量在7月初达到全年峰值，约为22MJ/(m2·d);在12月末达到最低值，约为6MJ/(m2·d)。
1.4月均太阳辐射量
上海典型气象年月均太阳总辐射量为381.54MJ/(m2·月)，4月~9月的太阳总辐射量均大于400MJ/(m2·月)。典型年太阳总辐射量逐月变化如图5所示。由图可知，月均太阳总辐射的全年峰值出现在7月，为584.3MJ/(m2·月)。12月份的太阳总辐射量最低，为244.6MJ/(m2·月)。总体来看，1月~5月份的太阳总辐射量逐步增加，7月~12月份的太阳总辐射量逐步降低;可能受6月份梅雨天气的影响，与5月和7月份相比，6月份的太阳总辐射量有所降低。
2上海太阳能热水系统发展的政策和标准
上海早在2005年就开始组织可再生能源在建筑领域的科研、技术攻关和标准规范制定工作。“十一五”期间先后发布并实施了《上海市民用建筑太阳能应用技术规程(热水系统分册)》DGJ-2004A、《民用建筑太阳能系统应用图集(热水系统分册)》DBJT08-110A、《既有民用建筑能效评估标准》DG/TJ08-2036、《建筑能效标识技术标准》DG/TJ08-2078、《上海市建筑节能工程施工质量验收规程》DGJ-08-113等标准。这些标准的颁布为上海可再生能源与建筑一体化应用提供了技术保障。
2011年开始实施的《上海市建筑节能条例》第十一条也明确规定：“本市鼓励发展太阳能、地热能、风能、生物质能等可再生能源与建筑一体化应用研究、示范和推广。新建有热水系统设计要求的公共建筑或者六层以下住宅，建设单位应当统一设计并安装符合相关标准的太阳能热水系统。鼓励七层以上住宅设计并安装太阳能热水系统。”
上海为进一步加大对太阳能热水系统建筑应用的推进力度，先后发布了三轮建筑节能扶持政策，现行有效的《上海市建筑节能和绿色建筑示范项目专项扶持办法》(沪建材联〔2016〕432号)，重点将太阳能、浅层地热能等可再生能源与建筑一体化的居住建筑或公共建筑作为示范的项目之一，明确了可再生能源建筑应用的技术要求。上海对可再生能源与建筑一体化应用的政策支持，调动了参与各方的积极性。
3上海太阳能热水系统应用现状
目前上海对于太阳能光热技术的利用主要集中在热水系统。在政策的监督引导和鼓励之下，太阳能热水系统在上海市建筑应用快速发展，迄今已发展成为比较稳定成熟的绿色、节能技术。太阳能热水系统应用现状主要包括集热器类型及布置、热水系统形式、建筑一体化程度、辅助热源及控制系统、投资回收期、系统节能量等方面。
3.1集热器形式及布置
目前应用较为广泛的集热器形式主要有平板型集热器和真空管型集热器两种。真空管型集热器热效率高，保温效果好，应用范围较广;而平板集热器外形美观，易于与建筑结合，但保温效果差，因为价格较便宜，应用范围亦日趋广泛。集热器布置位置主要在阳台和屋面，对于建筑高度较低的公共建筑和多层住宅，集热器布置在屋面能够满足用水要求;但对于高层住宅，仅在屋面设置集热器难以满足用水量要求，因此高层住宅多将集热器布置在阳台上。
屋面布置集热器的安装倾角一般为15度～30度，热效率较高;阳台布置集热器的角度因美观问题有较高要求，一般垂直略带角度安装，为达到预期设计效果，需根据角度及上海辐照量等诸多影响因素增加集热器面积。
3.2热水系统形式
太阳能热水系统的形式可按集热形式和贮热形式的不同分为紧凑式、分体式、集分式和集中式四类，各类系统形式特点及适用场所见表1。
3.3建筑一体化
太阳能热水系统与建筑结合方式一般有屋顶支架、嵌入屋面、阳台壁挂及墙面壁挂式四种方式。住宅建筑多采用屋顶支架式和阳台壁挂式，少数采用嵌入屋面及墙面壁挂式。公共建筑多采用屋顶支架式。
3.4辅助热源情况
大部分住宅建筑太阳能热水系统辅助热源采用电加热，公共建筑中主要有电辅热、燃气辅热等，也有少数项目采用热泵作为太阳能热水系统的辅助热源。辅助热源的启动形式基本实现了无人值守的自动启动方式。
4经济性分析
4.1初投资
太阳能热水系统的初始总投资包括太阳能集热系统、辅助加热系统、热水供水系统、电气控制系统和其他不可预见费用等，其中太阳能集热系统部分为太阳能热水系统的增加投资部分(见图6)。对于整个热水系统的总投资而言，非承压的开式系统和承压闭式系统初始投资差别较大，分别约为23000元/t热水和60000元/t热水。对于增加投资部分，即太阳能集热系统投资，主要取决于集热器的选型，各类型集热器平均价格(包含管道附件及安装费用等)如表2所示。
4.2节能量
不同太阳能热水系统的单位面积集热量不同，主要受系统所在地区太阳能资源、集热器效率以及太阳能热水系统的运行情况影响。根据上海市太阳能资源和系统运行情况，不考虑集热器集热效率的差异，计算单位面积光热集热器的年节能量为2047.6MJ/m2·4，折合成天然气(天然气当量热值16742kJ/m3，燃烧效率85%，天然气均价2.5元/m3)的费用为360元/m2·m。
4.3投资回收期
静态投资回收期估算：静态投资回收期=初始增投资/年节约成本。不同集热系统的投资回收期见表3。目前上海主要采用平板集热器和真空管集热器，静态投资回收期小于3年。太阳能热水系统的使用寿命一般在10~15年。因此使用太阳能热水系统具有较好的经济效益。
此外，以真空管作为集热器的太阳能热水系统的静态投资回收期最短，但由于真空管容易出现爆管等现象，导致真空管的使用寿命较短;全玻璃U型管投资回收期最长，而且其实际集热效率比较高，在阴雨天气仍然能够集热，实际使用效果及舒适性较好。
不同辅助加热装置的技术经济效果也不尽相同，以加热10m3/d生活热水为例，冷水温度15℃，热水温度60℃，生活热水年均耗热量为：10m3/d×0.983kg/L×4.187kJ/kg·℃×(60-15)℃×365=676023.6MJ/a。其中，太阳能热水保证率取50%，则由辅助能源提供的热量为338011.8MJ/a。各类常用辅助能源的费用计算见表4。由表4可知，目前常用的两种辅助热源(电能和天然气)的初始投资及年运行能源费用几乎相等;空气源热泵的年运行能源费用较低，但因为增加了空气源热泵系统，因此初始造价较高，从长远运行角度来源，太阳能+空气源热泵辅热较为经济适用。
5典型案例
5.1项目概况
某住宅项目，为多层住宅和高层住宅组成的9栋建筑，其中810户全装修住宅，建筑面积为9.17万m2，采用太阳能热水系统，现已投入使用。项目实景见图7。5.2太阳能热水系统项目采用阳台壁挂式太阳能热水系统，以温差循环控制方式运行，燃气辅助加热。项目系统原理图见图8，采用CPC真空管集热器，每户集热器面积3.4m2，配备150L单盘管水箱，如图9所示。总集热面积为2754m2。太阳能集热器布置在阳台栏板处，安装倾角为75度，如图10所示。部分顶层住户的集热器安装在屋面，安装倾角为30度。
5.3太阳能热水系统能效测评
经第三方能效测评，该项目太阳能热水全年保证率达到45%，集热器采光面积集热效率达到50%。根据现场测试和模拟计算，计算全年常规能源替代量为164.45t标煤;二氧化碳减排量406.19t/a，二氧化硫减排量3.29t/a，粉尘减排量1.64t/a。
6小结
太阳能热水系统目前在建筑领域应用颇广，其在能源利用方面有着显著的优势，是建筑节能的重要组成方式。太阳能热水系统与建筑结合，不仅让住户家庭生活得更自然更环保，而且在节能的同时减少了污染物的排放，对实现社会可持续发展具有重大意义。为实现《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中“十三五”总体目标：城镇可再生能源替代民用建筑常规能源消耗比重超过6%。我们要结合本市太阳能条件，考虑到不同建筑类型及不同可再生能源类型的差异性，因地制宜地采用可再生能源。
参考文献
[1]王珊珊郝斌彭琛,居民生活热水使用情况调研与分析,建设科技,2016年16期
[2]《中国太阳能热利用行业运行状况报告》(2015年7-12月)
[3]陈红兵李强陈希琳等,集中式太阳能热水系统的性能研究,可再生能源,2017年04期
[4]上海市《可再生能源建筑应用测试评价标准》DGTJ08-2162-2015
[5]住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用工程设计技术措施-给水排水.北京：中国计划出版社，2009.
[6]上海市《太阳能热水系统应用技术规程》DG/TJ08-2004A-2014[7]《上海市建筑节能条例》
